工业自动化层级以太网络架构系统的应用

周资清，许镇嵩，柳凯旋

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

众所周知，未来工业发展的方向是智能化、万物互联，其中网络基础的建设至关重要。而以太网作为一种先进的网络技术，在工业层级得到普遍推广和使用，其被人们认为是工业自动化层级网络的最佳解决方案。虽然就目前的应用而言，由于各大生产厂商的应用层协议的差异化，工业以太网还不能100%全覆盖所有的工业场景，但是随着近几年的技术发展及场景的需要，未来工业以太网技术已经十分完善。因此，以太网系统架构的标准化建立及完善，有助于保障生产设备网络的稳定性及充分发挥以太网在工业生产过程中的核心价值作用[1]。

1 网络系统架构

一个完整的网络系统架构，在规划时分三层设计，如图1所示。

图1 网络系统架构图

1.1 网络层级概述

图1采用全工业以太网系统的控制架构。从图1中展示可以看出，整个架构分为3个层级分别为：工厂级、车间级、现场级[2]。

（1）工厂级为上层IT范畴，主要是和车间级交互预留接口,本文不做深讨。（2）车间级-交换机环网，通常称之为三层ZONE环网络，ZONE层交换机为支持三层协议的管理型交换机，在整个网络架构中起承上启下的作用，即上与IT等上位通讯，下与现场设备链接，同级之间还可以支持车间内部的中控室和现场的工作维护站等。（3）现场级-交换机环网或单交换机应用场景，通常称之为二层Cell交换机环网，Cell层交换机可以为非三层的管理型交换机或非管理型交换机。

1.2 网络环网说明

本次规划的网络最大的特点是，在各层级尽可能地采用环型网络拓扑，环网优点是，任一结点一旦发生故障，系统可以自动旁路，可靠性较高，保证了网络的传输准确率。

2 交换机及其连接要求

Zone层交换机采用具有动态路由功能的管理型交换机，并且可以通过PLC编程软件对交换机的每个端口进行监控及管理，也可以为每个Cell划分不同的Vlan。Zone交换机中指定1台为主管理交换机，同时指定1台作为备用管理交换机，当主管理交换机出现故障无法及时恢复时，备用管理交换机立即接管工作[3]。

Zone层交换机环网之间采用光纤进行连接，Zone层交换机与上位、中控室、车间工作站及Cell交换机之间也通过光纤连接，并且考虑备用线路。

一套PLC系统下的Cell层交换机组成环网通讯，网络架构中Cell层交换机采用支持环网协议的管理型交换机，一般情况下Cell层交换机间可不采用光纤连接（Cell层距离超过85米需要采用光纤连接），Cell环与环之间通过Zone交换机连接进行通讯。

交换机预留推荐最低要求：Zone层交换机预留1个光口和1个电口，Cell层交换机预留1个电口即可。

PLC机架上需配置独立的以太网模块，通过EtherNet/IP协议与Cell层交换机连接后，通过Zone层交换机路由到上位，实现与上位的通讯应用，如MES、EAM、ERP、SAP系统等。

PLC机架上需配置独立的以太网模块，通过EtherNet/IP协议与Cell层交换机连接到现场设备，实现（现场级）设备的通讯。

设备层主要采用环型工业以太网协议，通过1783-ETAP或小型非管理交换机与Cell层交换机通讯，实现设备层的环网，防止某台设备掉线后，网络从另一环路通，下一设备不受影响，从而将减少生产停机的概率，特殊场景如机器人工作站可采用星形结构。

3 网络设备的IP地址统一规划

以前车间设备的IP地址非常杂乱，每次新加入设备，IP都没有统一管理起来，造成后续维护比较困难，所以IP地址提前统一规划，并建立适用的标准，对设备的管理及运行维护的帮助也就不言而喻了。

首先Vlan划分，一套PLC系统下所有模块与Cell层交换机为同一个Vlan，IP地址需要允许路由到Zone交换机。通过Zone层交换机可以访问到现场的所有设备。

其次IP地址划分，我们预先规划各车间的IP网段，例如对W、P、T车间作以下几点规定。

W车间：10.128.AAB.CCC

P车间：10.129.AAB.CCC

T车间：10.130.AAB.CCC

W车间举例以下几点。

IP地址：10. 128.AAB.CCC

设备IP规划说明：

在W车间，10.128段是规定不变的，AAB和CCC段是变化的。

子网掩码：255.255.255.0。

CCC代表Cell中各种网络控制设备，如交换机、I/O模块、变频器、触摸屏等。

B代表PLC编号，每个数字（0-9）代表一套PLC，每个Cell一套PLC。

AA代表W车间各条工艺线、机运线及机器人划分区。

各车间按工艺线、机运线、机器人站有三种不同的IP地址分配规则，如此考虑主要是由于工艺线现场I/O模块较机运线多，而变频器及电机等机运线多于工艺线，机器人站较工艺及机运线又比较特殊。

另外很重要的一点，就是Zone交换机IP管理我们也作如下规则：

Zone的交换机的Loopback口地址段：

10.128.254.CCC

Zone层及Cell层环网各交换机等网络设备的管理IP段：

10.128.253.CCC

Zone环网各设备间三层互联以及Zone交换与Cell环互联接口IP段：

10.128.252.CCC

工作站IP地址：

10.128.251.CCC

网关：

10. 128.AAB.254

4 网络管理

网络系统设计再好，如果后续不进行合理的维护管理，那么久而久之，网络系统还是会出现各种各样的问题。因此，需要实时监控网络的状态，出现任何故障系统能及时发出报警，通知相关人员处理。我们设计了维修工作站点，维修工作站须安装正版以太网管理软件、PLC编程软件等。工程师通过使用以太网管理软件，对网络进行管理维护。

维修工作站与Zone交换机相连，可以监控、修改、下载与其相连的Cell层PLC中的程序和设备运行状态，方便人员及时在现场查看设备实时状态。

如果网络部署有无线AP或其他无线设备，我们也规定频段区分，以防止网络之间相互干扰的存在。

5 网络安全

5.1 软硬件手段

网络安全数据要求数据传输100%准确性，要求被连入控制网络的其他网络干扰不会引起过程延时和控制信号丢失。出于这个原因考虑，我们要求控制网络必须与办公环境因特网隔离。通过运用网关，防火墙，路由或者恰当的安全软硬件来提供恰当的网络安全。

5.2 人员管理

对车间维护人员的随意插拔移动存储设备作严格管理要求，必须指定人员，应用指定的维护电脑进行维护作业，此电脑及移动存储设备不允许连接任何外网，防止本地导入病毒及其他攻击软件等

6 结语

通过对工厂自动化层级的以太网系统架构标准化应用的优化，实现了从设备底层到控制系统乃至上位的全通道信息互通，为工业生产的全信息共享提供有力的保障，为智能化和网联化提供了很好的基础条件。同时，通过硬件及IP地址管理的统一部署，将设备型号种类减少，节约备件的数量为系统的维护节约了成本，对企业来说，也实现了降本增效的目标，这也是标准化的核心目标之一。总之，一个完善的网络架构系统是需要不断更新和改进的，以适应新时代、新技术的发展需要，从而为企业实现长久的价值。